化工设计习题及答案(陈声宗)

第一章化工厂设计的内容与程序（陈声宗习题与思考题2010.9）1、化工设计的种类有哪些？答：根据项目性质化工设计可分为：新建项目设计、重复建设项目设计、已有装置的改造设计。根据化工过程开发程序化工设计可分为：概念设计、中试设计、基础设计和工程设计；其中工程设计又包括：初步设计、扩大初步设计和施工图设计。2、请画出化工厂设计的工作程序示意图。3、化工厂通常由哪些部门和设施所构成？答：化工厂通常由化工生产车间、辅助生产装置、公用工程及罐区、服务性工程、生活福利设施、三废处理设施和厂外工程等构成。4、化工车间工艺设计的程序及主要内容有哪些？答：一、设计准备工作（1）熟悉设计任务书（2）制定设计工作计划（3）查阅文献资料（4）收集第一手资料。二、方案设计方案设计的任务是确定生产方法和生产流程，是整个工艺设计的基础。三、化工计算化工计算包括工艺设计中的物料衡算、能量衡算、设备选型与计算三个内容，其任务是在这三项计算的基础上绘制物料流程图、主要设备图和带控制点工艺流程图。四、车间布置设计主要任务是确定整个工艺流程中的全部设备在平面上和空间中的正确的具体位置，相应地确定厂房或框架的结构型式。五、配管工程设计任务是确定生产流程中全部管线、阀门及各种管架的位置、规格尺寸和材料，综合权衡建设投资和操作费用。六、提供设计条件工艺专业设计人员向非工艺专业设计人员提供设计条件。七、编制概算书及编制设计文件概算主要提供了车间建筑、设备及安装工程费用。第二章工艺流程设计1、化工工艺设计包括哪些内容？答：生产方法选择，工艺流程设计，工艺计算，设备的设计与选型，设备布置，管道设计对非工艺设计提条件，设计说明书，概预算书。2、在选择生产方法和工艺流程时，应该着重考虑的原则有哪些？其步骤有哪些？答：先进性、可靠性、合理性；资料搜集与项目调研、生产设备类型与制造厂商调研、对调研结果进行全面分析对比。3、工艺流程设计的步骤有哪些？答：确定整个流程的组成，确定每个过程或工序的组成，确定工艺操作条件，确定控制方案，原料与能量的合理利用，制定“三废”处理方案，制定安全生产措施。4、工艺流程图的种类有哪些？答：工艺流程草图，工艺物料流程图，带控制点的工艺流程图，管道仪表流程图。5、某管道标注为“HW0201-150-L1B”，表示什么意思？答：①HW0201-表示管道号，其中：HW-物料代号，热水；02-工程工序编号，第02号；01-管道顺序号，第01号。②150–管道尺寸（管径），公称通径150mm,。③L1B-管道等级，其中：L-国内标准压力等级代号，1.0MPa；1-顺序号，第1号；B-管道材质类别，碳钢。6、固定床反应器温度控制形式有哪些？画出示意图。FCTCTCTCTC空气氨气进料载热体出料进料进料出料出料出料(a)用进料浓度控制(b)用进料温度控制Ⅰ(c)用进料温度控制Ⅱ(d)用冷料量控制第三章物料衡算与热量衡算习题1连续常压蒸馏塔进料为含苯质量分数(下同)38％(wt)和甲苯62％的混合溶液，要求馏出液中能回收原料中97％的苯，釜残液中含苯不低于2％。进料流量为20000kg／h，求馏出液和釜残液的流量和组成。解：苯的相对分子质量为78，甲苯的相对分子质量为92。以下标B代表苯。进料中苯的摩尔分数38780.419638627892FBx釜残液中苯的摩尔分数2780.023512987892WBx进料平均相对分子质量0.419678(10.4196)9286.13M进塔原料的摩尔流量2000232.2/86.13Fkmolh依题意，馏出液中能回收原料中97%的苯，所以97.430.9794.51/DBDxkmolh作全塔苯的质量衡算得FBDBWBFxDxWx作全塔总质量衡算得FWD将已知数据代人上述质量衡算方程得232.20.419694.510.02351232.2WD解得124.2/,108/WkmolhDkmolh所以，94.5194.510.8752108DBxD组分塔进料塔顶馏出物釜残液kg/h%(wt)kmol/h%(mol)kg/h%(wt)kmol/h%(mol)kg/h%(wt)kmol/h%(mol)苯76003897.4341.967372.685.6094.5287.52227.82.02.922.35甲苯1240062134.858.041240.214.4013.4812.4811159.498.0121.397.65合计20000100232.21008612.810010810011387.2100124.2100习题2丙烷充分燃烧时要使空气过量25％，燃烧反应方程式为：38222534CHOCOHO试计算得到100摩尔燃烧产物（又称烟道气）需要加入的空气的摩尔量。解：以1mol入口丙烷为计算基准根据反应方程式，1mol丙烷需要5mol的氧气与之反应，因氧气过量25%，故需要加入的空气量为1.25529.760.21mol其中226.25,23.51OmolNmol烟道气中各组分的量：38CH0mol2N23.51mol2CO313mol2O6.2551.25mol2HO414mol因此，以1mol入口丙烷为基准的物料衡算结果如下入口出口38CH138CH02O6.252O1.252N23.512N23.512CO02CO32HO02HO4合计30.78合计31.76从计算结果可以看出，当空气加入量为29.76mol时，可产生烟道气31.76mol，所以，每产生100mol烟道气需加入的空气量为10029.7693.731.76mol习题3天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气的示意流程图转化炉内进行烃类蒸汽转化反应，以甲烷为例，烃类蒸汽转化的反应方程式为422CH+HOCO+3H垐?噲?天然气经一段转化炉转化后继续进入二段转化炉反应，在一段转化炉出口添加空气以配合合成氨原料气中所需的氮气，同时，一段转化气中的一部分氢气遇2O燃烧供给系统热量。二段转化后再经一氧化碳变换工序使混合气中的CO大部分转化为2CO和2H，CO转化为2CO和2H的方程式为222CO+HOCO+3H垐?噲?，变换后的气体进入脱除2CO工序脱除2CO，再经甲烷化工序除去残存的微量CO和2CO后作为合成氨合格原料气。已知某厂天然气的组成为：组分CH4C2H6C3H8C4H10(正)C4H10(异)C5H12(正)C5H12(异)N2CO2合计%(mol)83.2010.005.160.690.500.060.050.330.01100要求合成氨原料气的组成为：天然气xkmol蒸汽蒸汽一段转化炉空气ykmol二段转化炉CO变换CO2脱除CO2甲烷化合成氨原料气组分H2N2ArCH4合计%(mol)73.9724.640.311.08100计算天然气的用量和空气的用量。解：以100kmol合成氨原料气为计算基准。设天然气用量为xkmol，添加空气量为ykmol。（1）作系统N2平衡因为在天然气蒸汽转化法制造合成氨原料气过程中，N2没有参加反应，它的数量在反应器的进口、出口物料中没有变化，作系统N2平衡得0.0033x+0.79y=24.64(A)(2)作系统氢平衡甲烷转化制H2的计量关系推导如下：甲烷蒸汽转化反应过程422CH+HOCO+3H垐?噲?CO变换反应过程222CO+HOCO+3H垐?噲?总过程4222CH+2HOCO+4H垐?噲?用同样的方法可推导出烃类蒸汽转化制2H的计量关系通式为n2n+2222CH+2nHO=nCO+(3n+1)H因此，100kmol天然气可提供的理论H2为组分烃量/kmol可提供的理论烃量/kmolCH483.20483.20=332.80C2H610.00710.00=70C3H85.16105.16=51.60C4H10(正)0.69130.69=8.97C4H10(异)0.50130.50=6.50C5H12(正)0.06160.06=0.96C5H12(异)0.05160.05=0.80N20.330CO20.010合计100471.63因此，xkmol天然气进料可提供的理论H2为x471.63kmol100氢气燃烧的反应过程2222H+O=2HO燃烧消耗的H2为y20.21kmol作系统H2平衡得20.2173.9741.08xy471.63100(B)式中（41.08）是合成氨原料气的CH4折合为H2物质的量(mol)(A)式合(B)式联解得到x18.92kmoly31.11kmol因此，制造100kmol的合成氨原料气需加入天然气18.92kmol，一段转化炉出口需添加31.11kmol的空气。习题4乙烯氧化为环氧乙烷的反应方程式如下：242241()()()2CHgOgCHOg试计算0.1013MPa、25℃下的反应热。解：乙烯（g）的标准生成热为0298,,52.28/fHkJmol乙烯环氧乙烷(g)的标准生成热为0298,,51/fHkJmol环氧乙烷－因此，0.1013Mpa，25℃下的反应热计算如下：000298,298,298,()()rififHnHnH反应物产物－1151152.280103.3/2kJmol＝（－）－＋＝－习题5乙烯氧化制环氧乙烷的反应器中进行如下反应：主反应242241()()()2CHgOgCHOg副反应24222()3()2()2()CHgOgCOgHOg反应温度基本维持在250℃，该温度下主、副反应的反应的反应热分别为0523105395/HkJkmol乙烯05231321726/HkJkmol乙烯乙烯的单程转化率为32％，反应的选择性为69％，反应器进口混合气的温度为210℃，流量450003()/mSTPh,其组成如下：组分24CH2N2O合计%(mol)3.582.014.5100热损失按反应放出热量的5%考虑，求热载体移出的热量。解：查得有关气体的热容数据如下：组分24CH2O2CO水蒸气24CHO2N/[/(]pCkJkmolK210℃64.4331.3830.04250℃66.9431.6745.5635.35103.830.17假设如下热力学途径：210℃下反应器入口混合气体热容0.03564.430.8230.040.14531.3831.44/()pCkJkmolK250℃下反应器入口混合气体热容0.03564.940.8230.170.14531.6731.67/()pCkJkmolK因此，反应器入口混合气体在210℃～250℃的平均热容为,1(31.4431.67)31.56/()2pmCkJkmolK414500031.56(250210)2.53610/22.4HkJh245000450000.0350.320.69(105395)0.0350.32(10.69)(1321726)22.422.4H71.08610/kJh676122.536101.086108.32410/HHHkJh65528.32410(4.16210)4.16210/HHQkJh由热载体移走的热量为656128.32410(4.16210)7.90810/QHQkJh第四章设备的工艺设计及化工设备图1、化工设备选用一般原则的内容是什么？答：（1）合理性：即设备必须满足工艺要求，设备与工艺流程、生产规模、工艺操作条件、工艺控制水平相适应，又能充分发挥设备的能力。（2）先进性：要求设备的运转可靠性、自控水平、生产能力、转化率、收率、效率要尽可能达到先进水平。（3）安全性：要求安全可靠、操作稳定、弹性好、无事故隐患。（4）经济性：设备投资节省，设备易于加工、维修、更新，没有特殊的维护要求，运行费用减少。（5）系统性：化工过程是一个完整